[論文レビュー] Massive Compact Objects in a Quantum Theory of Gravity

S. Kalyana Rama|arXiv (Cornell University)|Sep 11, 2014

Black Holes and Theoretical Physics参考文献 30被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、特異点が解消され、ユニタリティが保たれる重力の量子理論において、星の崩壊によって形成される質量の大きなコンパクト物体（MCO）は、特異点と事象の地平線の両方を有しないべきであると主張する。事象の地平線が、現在のデータのみから将来の進化を予測できない、予測可能性の喪失を引き起こすことを示唆することで、論文は、このようなMCOが多体系の相互作用を有する標準的な量子系として振る舞うべきであり、したがって、これらの仮定の下では、地平線なし・特異点なしのコンパクト物体が唯一整合的な結果であると結論づける。

ABSTRACT

A massive compact object is that which forms when a sufficiently massive star collapses. This is commonly taken to be a black hole with a singularity surrounded by a horizon and which evolves by emitting Hawking radiation. In a quantum theory of gravity, singularities are expected to be resolved and the evolutions are expected to be unitary. Assuming that such a theory with these properties exists, and with a few more physically motivated assumptions, we argue that a massive compact object has no singularity (by assumption) and must also have no horizon; otherwise, there may be a loss of predictability in the case of a black hole candidate observed today. With no singularity and also with no horizon, the massive compact object will then evolve as a standard quantum system with large number of interacting degrees of freedom.

研究の動機と目的

• 重力の量子論において、特異点とユニタリティの量子進化の間の矛盾を解消すること。
• 特異点が解消される条件下で、星の崩壊によって形成される質量の大きなコンパクト物体（MCO）が、事象の地平線を有する必要があるかどうかを特定すること。
• 地平線が存在すると、根本的な予測可能性の喪失が生じることを主張すること。これは物理的に望ましくない。
• したがって、MCOは地平線なし・特異点なしでなければならないこと、かつ、多数の相互作用を有する自由度を持つ標準的な量子系として進化することを確立すること。
• ユニタリティと特異点の解消を満たすあらゆる量子重力フレームワークに適用可能な、理論に依存しない一般論を、予測可能性に基づいて提示すること。

提案手法

• 特異点が解消され、時間発展がユニタリティを保つ重力の量子理論が存在すると仮定する。
• 量子重力効果が古典的特異点を解消する領域である「特異点クラウド」の概念を導入し、そのサイズを推定する。
• 特異点クラウドのサイズをシュバルツシルト半径と比較することで、地平線が存在できるかどうかを評価する。
• 特異点クラウドのサイズが地平線より小さい場合、現在の質量のみから将来の進化を予測できない、予測可能性の喪失が生じると定義する。
• 今日観測されるブラックホール候補を想定した thought experiment を用いて、特異点クラウドが地平線を越えて成長する場合、その将来の進化は予測不能になることを示す。
• 予測可能性を保つためには、特異点クラウドが地平線よりも大きくなければならない。これは、地平線が形成されえないことを示唆する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 重力の量子論において、どのような条件下で質量の大きなコンパクト物体が事象の地平線を形成しなくてよいか？
• RQ2 特異点解消領域のサイズがシュバルツシルト半径より小さい場合、予測可能性にどのような影響があるか？
• RQ3 なぜ、MCOの現在の状態から将来の進化を予測できるようにするためには、地平線が存在してはならないのか？
• RQ4 特異点クラウドのサイズが地平線に対してどのように影響を与えるかが、量子重力モデルと観測可能な物理学の整合性に与える影響は何か？
• RQ5 地平線なし・特異点なしのMCOは、多数の相互作用を有する自由度を持つ標準的な量子系として一貫して記述可能か？

主な発見

• 特異点クラウドのサイズが地平線より小さい場合、MCOの将来の進化は、現在の質量のみから予測できず、根本的な予測可能性の喪失が生じる。
• 予測可能性を保つためには、特異点クラウドが地平線よりも大きくなければならない。これは、質量の大きなコンパクト物体が事象の地平線を有できないことを示唆する。
• したがって、MCOは地平線なし・特異点なしでなければならない。それらは多数の相互作用を有する自由度を持つ標準的な量子系として進化する。
• この結論は、特異点の解消とユニタリティを保つ限り、特定の量子重力フレームワークに依存しない。
• この結果は、ホワイトホール的構造が自然に生じる弦理論における「ふわふわボール」（fuzz ball）の提案と整合する。
• 地平線が存在しないということは、MCOが質量にかかわらずさらに収縮しないことを意味し、重力的崩壊に対して本質的な安定性を示唆する。